工業革命與物理學發展史

第一次工業革命(1760-1840)

第一次工業革命前的歐洲，鄉間以耕種和畜牧業為主，城市中的人口以商人和工匠為多，依賴簡單的家庭手工業制。交通方式以馬匹和馬車為主，道路網路設計非常不完善，且運輸效率非常的低。這種以原始動力來生產物品的方法已經不再能滿足日益增長的商品需求。

大航海時代後，美洲的大量作物湧入歐洲使得歐洲的人口開始迅速增長，致使勞動力過剩而生產力不夠的現象。1623年英國國王詹姆士一世設立專利權保護法，大大刺激了英國新發明的誕生，從而間接推動了英國自由貿易，形成更大規模的市場和讓工商業更加彭勃發展。這段時間人類開始致力於改進生產技術以增加物品生產從而觸發了第一次工業革命。以人力為主的生產工序逐漸由正起推動的機器所代替，生產工序的機械化又不斷的推動著工商業農業各個方面的蓬勃發展，最後成就了第一次工業革命的輝煌歷史。

主要的發明有瓦特的改良蒸汽機，哈格里夫斯的珍妮紡紗機，富爾頓的蒸汽輪船，摩斯的電報機，卡爾本茨的汽車等。

第二次工業革命(1870-1914)

伴隨第一次工業革命的成果，迅速激發了西方列強的前進腳步，以英國為中心的向西歐和北美擴散開來。其以電力的大規模應用和點燈的發明為標誌而光輝的載入史冊。

英國

法拉第發現電磁感應效應從而觸發的電動機的發明，貝塞麥轉爐鍊鋼法大量提高了英國鋼產量，從而讓英國的鐵路，船隻，建築，槍支，坦克等大力發展。帕森斯發明蒸汽渦輪發動機從而讓更高效的驅動器帶動整個英國的工業輸出。

美國

通過第二次工業革命，美國對煤炭的開採技術和鍊鋼技術有了長足的提高，從而讓美國的製造業超過英國，大量的鐵路應運而生。

德國

德國工業化開始，並大力發展化學，電力，電機方面的應用，以巴斯夫，拜耳，赫斯特為主的大企業幾乎壟斷了世界染料供應，以及製藥業在德國開始興起。

第三次工業革命(數字化革命)(1920-至今)

二戰後以計算機的推廣和電子數據的普及開始大規模發生機械和模擬電路到數字電路的變革。數字化革命使得傳統工業更加自動化，機械化從而減少了成本，徹底改變了人類社會的運作模式。

其中比較代表的產物有電子計算機，原子能技術，航天技術，可再生能源技術等，深入到人類生活的各個方面。

物理學發展史

遠古時期

古希臘哲學家哲學開始逐漸理性認識自然，科學始祖泰勒斯開始拒絕以超自然的方式或者宗教深化來解釋自然現象，其宣稱每件事皆有訴諸自然的原因。留基伯提出一切物質不可分割原理。亞里士多德寫下第一本物理學著作，藉由四元素解釋物體的運動。

經典物理學時期

力學

1.原始靜力學

其起源於人類對運動中最簡單的機械的認識，比如槓桿，滑輪，斜面等。得出了一些比如槓桿原理，阿基米德定律的基礎物理學理論。1609-1619年間，天文學家開普勒總結老師第谷布拉赫的觀測數據成功的總結出了行星運動的三大定律。

2.伽利略動力學

現代自然科學之父的伽利略帶領17世紀的歐洲自然哲學家們研究抽象出適用整個宇宙運動的數學模型，反駁了亞里士多得的很多錯誤觀點，提倡實驗的科學方法，以及著名的理想斜面實驗。

3.牛頓三大定律和萬有引力定律

1687牛頓《自然哲學的數學原理》一書里程碑式的標誌著經典力學體系的建立。但是這套體系是建立在絕對時間空間的假設之上的，從而定義了絕對運動和絕對靜止的概念。1700年頓萊布尼茲微積分公式建立，解決了物理學中很多的數學問題。

熱學

1.熱力學第一定律(機械能守恆定律)

1841邁爾發表關於機械能的猜測形式，並提出能力的守恆性和可以在不同的形式之間轉化。焦耳用實驗驗證了熱是能量一種形式的猜想，1850克勞修斯給出了熱力學第一定律的數學形式。

2.熱力學第二定律(效率和熵增原理)

其起源於人類對熱機效率的提升問題，其中卡諾通過研究提出熱機效率只與兩個熱源的溫差有關而與熱機的工質無關，任何熱機的效率都不可能高過可逆熱機的效率。後來被開爾文應用建立了絕對溫標。克勞修斯在1854闡述了熱二定律的表述，及熱量可以自發地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體（不可能從單一熱源吸取熱量，並將這熱量完全變為功，而不產生其他影響）。同時引入熵的概念，並指出可逆過程的熵增為0。

3.熱力學第三定律(絕對零度不可達到)和熱力學第0定律(如果兩個熱力學系統均與第三個熱力學系統處於熱平衡，那麼它們也必定處於熱平衡 )

4.分子動理論

1856克格尼羅創建簡單氣體分子平動模型，推導出理想氣體狀態方程。1587克勞修斯引入轉動和振動建立氣體分子自由程這一概念。1859麥克斯韋基於統計學建立了氣體分子速率的麥克斯韋分布，描述了特定速率範圍內分子數量的比例。

5.統計力學

1871玻爾茲曼修正了麥克斯韋的速率分布函數並提出了過程的方向性和熵增原理。吉布斯建立統計力學來描述熱力學定律，以劉維爾定理作為基本方程來求解系綜在相空間中配分函數。

電磁學

1.靜電學

1600基爾伯特(電學之父)發明靜電驗電器，庫倫發現庫侖定律，1813泊松提出拉普拉斯方程也適用於靜電場從而提出泊松方程，1820奧斯特發現電流磁效應，1827歐姆定律，1828格林函數，1839高斯定理等等。

2.安培電磁理論

畢奧薩伐爾定律提出磁力正比於電流強度，反比與距離，方向垂直於距離連線。1821安培提出分子環流假說，1826推導出著名的安培環路定理。

3.電磁感應現象

1831法拉第發現了法拉第定律(動生電動勢)，並創立的力線和場的概念，否認超距作用。1833楞次總結出楞次定律(感生電動勢)。

4.麥克斯韋電磁場理論

1865麥克斯韋總結高斯定理，高斯磁定理，法拉第電磁感應定律和安培定理總結出偉大的麥克斯韋方程，預言了光是電磁波。1887赫茲成功的接收到了電磁波，證明了麥克斯韋的正確，同時測定電磁波速度等於光速。

光學

1.幾何光學

歐幾里得《反射光學》，托勒密《光學》，1621斯涅耳總結出折射定律。1661費馬將費馬原理應用到幾何光學，證明了折射定律的正確形式。

2.光的色散

1666牛頓通過光的色散得到光譜，後來得出色散不是光和稜鏡的作用結果，色散後的光譜可以通過倒置的稜鏡還原為白光等結論，即白光是由多種光按比例混合而成。

3.光的本質

牛頓(微粒說)， 惠更斯(波動說，縱波，靠以太傳播)。1801托馬斯楊雙縫實驗證明波動理論的正確性，1809馬呂斯發現了光的偏振，1821菲涅爾算出光的振動是橫向的。以及後來提出光的干涉條件，描述了近場光學的菲涅爾衍射，發現了圓偏振光和橢圓偏振光。

4.光譜學

1814夫琅禾費測定太陽光譜，1884巴爾末總結出經驗性的氫光譜公式。1890里德伯得到更普遍的里德伯公式，後證明巴爾末公式是其的一個特例。

近代物理學時期

經典物理學的革命

1.兩朵烏雲

1900開爾文提出物理學的兩朵烏雲，邁克耳孫莫雷實驗和黑體輻射理論。

2.X射線和電子

1895倫琴通過真空放電實驗發現X射線，1896貝克勒爾發現天然放射性，1896塞曼效應，1897湯姆孫發現電子（人類發現的第一個基本粒子）並測出電子荷質比，1898盧瑟福發現alpha和β射線，1898居里夫人發現放射性元素。1901考夫曼發現電子質量隨速度增長，1912勞厄通過晶體衍射確定X射線是電磁波，莫塞來指出X射線由原子內部內層電子量子躍遷產生。

3.以太和紫外災變

舊量子理論

1.普朗克能量子

1900普朗克在黑體輻射研究中進行能量量子化假設，推出普朗克黑體輻射定律，計算出普朗克常數，開創了量子力學的先河。1905愛因斯坦採用量子化假說，提出光量子概念，解釋了光電效應。1916密立根通過實驗驗證愛因斯坦光量子論的正確性。1906愛因斯坦將普朗克定律應用到固體原子振動模型中，假設所有原子都以同一頻率振蕩和三個自由度，從而得到所有原子的振動內能，將其對溫度求導即得到固體熱容的表達-愛因斯坦模型。

2.波爾模型

1908盧瑟福alpha粒子散射，提出盧瑟福模型。1912波爾肯定盧瑟福模型，提出用量子化方法解決原子穩定性問題，得到了波爾模型的半經典理論。1913建立電子軌道量子化的氫原子模型，很好的描述了氫原子的規律。同時將電子軌道角動量也量子化，給出了電子能量，角頻率，軌道半徑的公式。但無法解釋出來氫原子以外的原子光譜，也無法解釋原子譜線的塞曼效應和精細結構。1914索末菲提出電子橢圓軌道量子化條件，解釋了正常塞曼效應，斯塔克效應和原子譜線精細結構。

3.波粒二象性

1909愛因斯坦提出如果普朗克定律成立，則光子必須是帶有動量的粒子，且電磁輻射必須有波粒二象性。1917愛因斯坦指出輻射的兩種基本方式，自發輻射和受激輻射，並建立一套描述原子輻射和電磁波吸收的量子理論，稱為激光技術的理論基礎。1923康普頓效應解釋光子存在並帶有動量。同年德布羅意提出實物粒子一樣擁有波粒二象性的假說，電子軌道周長應該是位相波的整數倍。1927戴維孫-革末實驗得到電子衍射圖案與布拉格預測X射線衍射圖案相同，證明電子波動性。

現代量子理論

1.矩陣力學

1925海森堡建立矩陣力學，將物理量闡釋為隨時間演化的矩陣。其論述電子運動的位置或者動量是沒有意義的，從而推導出了不確定性原理。波爾提出互補原理，即不可能同時觀測到電子的粒子性和波動性。

2.波動力學

1926薛定諤建立波動力學和非相對論性的薛定諤方程，其比海森堡的矩陣力學更具有數學簡明性。同年玻恩提出波函數的統計解釋，即波函數是一種幾率波，其振幅的平方正比於粒子出現的幾率密度，且具有全空間的歸一性。

3.相對論量子力學

1921朗德提出反常塞曼效應的電子磁量子數為半整數。1924泡利提出半整數代表電子的四個自由度，並提出泡利不相容原理。烏倫貝克和谷茲米提出電子自旋理論。泡利提出自旋是電子的內稟屬性，並用量子化矩陣表述。後將自旋引入薛定諤方程中得到外加電磁場作用下考慮電子自旋的量子力學波動方程-泡利方程。1928狄拉克建立滿足洛倫茲協變性且自旋為1/2粒子的薛定諤方程，得到狄拉克方程。

4.波爾-愛因斯坦的辯論

波爾，海森堡等的哥本哈根學派和以愛因斯坦為首的以量子力學的完備性發生爭吵。1935年EPR佯謬實驗，薛定諤和愛因斯坦交換意見後提出薛定諤貓思想實驗。

相對論

1.誕生背景

1904龐家萊提出相對性原理，即任何力學和電磁學的實驗都不能區分靜止和勻速運動的任何慣性參考系，得出洛倫茲變換。

2.狹義相對論

1905愛因斯坦提出麥克斯韋電磁理論應用運動物體時表現出的內在不對稱性，引出狹義相對論，即龐加萊的相對性原理和光速不變原理。引入長度收縮，時間膨脹，質能等價，靜止能量等新物理概念。

3.廣義相對論

1907愛因斯坦提出非慣性系等價於引力場，所有參考系都是平權的，物理定律的形式不會因慣性系或者非慣性系而改變，即廣義相對性原理。1915提出愛因斯坦引力方程。

原子核物理和粒子物理

1.原子核物理

1919盧瑟福用alpha粒子轟擊氮原子，首次通過人工核變合成其他原子。1932查德威克驗證中子的存在，並測定中子質量，改變了原有的質子-電子模型。1938邁特鈉提出核裂變，用愛因斯坦質能關係解釋了核裂變中的巨大能量。同年貝特提出核聚變。

2.粒子物理

1935湯川秀樹提出核子間的強相互作用，解釋了原子核內質子和中子的結合，即核子間作用力靠虛粒子介子來完成。1947包威爾發現π介子，驗證理論成功。1914查德威克發現β衰變中有能量損失，1930泡利提出中微子假說，後來引出弱相互作用。1956李政道楊振寧提出宇稱不守恆理論，1964蓋爾曼和茨維爾分別提出夸克模型。